理论教育 自动增益控制与电源管理简介

自动增益控制与电源管理简介

时间:2023-06-16 理论教育 版权反馈
【摘要】:精确的执行对传输功率的控制和有效地利用自动增益控制管理传输功耗,是射频发射机自动增益控制设计的两大关键任务。在功率校正后,发射机增益控制的累计误差必须要在上述指标以内,且带有合理的余量。将发射机自动增益控制运用到移动站的电源管理中是很自然的事。发射机的自动增益控制设计对线性度有要求,应该平衡电流损耗、相邻信道功率比性能以及噪声散射之间的关系。

自动增益控制与电源管理简介

基于特定控制环或基站指令,可以控制不同无线通信系统移动站的传输功率。最常用移动站的最大和最小输出功率如表8.2所示。CDMA系统比其他移动系统(30 dB或更低)有更宽的功率控制范围(70 dB以上)。

表8.2 移动站的最大和最小传输功率

续 表

在GSM和DCS系统中移动站的输出功率受基站控制,变化要在指定功率范围内,即超过30 dB的要在2 dB的间隔区间内。AMPS和TDMA移动站的传输功率控制与GSM系统类似,但超过20 dB有每级4 dB的动态范围。在CDMA移动站,传输功率取决于接收信号电平,开环的估算公式为

除了开环控制以外,CDMA移动发射机的输出功率也是通过嵌入在前向链路CDMA信号帧的功率控制位进行周期性的调整,上下步长为1 dB、0.5 dB或0.25 dB(由基站设置)。后者的反向链路功率控制称为闭环控制。在CDMA系统中,闭环功率控制范围在开环功率±24 dB左右。WCDMA移动站的传输功率控制机理与CDMA中使用的相似,但它的开环功率控制用于设定它的输出功率到一指定值,且它的闭环控制范围名义上为从最大输出功率到低于-50 dBm,每步大小为1 dB、2 dB或3 dB。

移动站的输出功率容差是由系统决定的。在GSM系统中,根据不同的输出功率,移动发射机的输出功率容差为±3 dB~±5 dB。在CDMA系统中,移动发射机的开环输出功率容差为±9.5 dB,闭环控制的容差由步长决定,在整体10 dB步长分别为1 dB、0.5 dB和0.25 dB时,其容差分别为±2 dB、±2.5 dB和±3 dB。在WCDMA移动发射机中,开环功率控制的容差为±9 dB,内环功率控制公差也是取决于步长的,每步1 dB和2 dB时,连续10步后,对应的容差分别为±2 dB和±4 dB,且每步3 dB时,连续7步后为±5 dB的容差。

一般来说,射频发射机是在特定数字信号处理器自动增益控制算法控制下来实行对传输功率的调整的。精确的执行对传输功率的控制和有效地利用自动增益控制管理传输功耗,是射频发射机自动增益控制设计的两大关键任务。

为了做出正确的电源控制,人们需要设计尽可能线性的增益控制曲线且随温度与集成电路工艺变化最小的中频和射频可变增益放大器。然而,无论是中频可变增益放大器,还是射频可变增益放大器,其增益控制曲线均有一定的非线性特性,且曲线或许会随着温度、工作信道的频率以及工艺而发生变化。因此,射频发射机链路的可变增益放大器增益控制曲线需要仔细的表征,恰当的曲线拟合技术和分段近似则被用于表述这些增益控制曲线以作发射机自动增益控制使用。在功率校正后,发射机增益控制的累计误差必须要在上述指标以内,且带有合理的余量。通常有必要对发射机增益控制特性随温度和信道频率做出一定的补偿。幸运的是,大多数情况下,线性补偿对于温度和频率来说都已经足够了。

将发射机自动增益控制运用到移动站的电源管理中是很自然的事。因为发射机可能会消耗移动站整体功率的一半,所以射频发射机功率损耗的减少将显著增加移动站的通话时间。

射频发射机电源管理的一般规则是随着传输功率减少要尽可能快地降低电流消耗,同时保持适当的线性度。

实际应用中,移动站的传输功率有一个统计分布,即并非所有的传输功率水平都同样使用。例如,在CDMA开发团队文档中记录着CDMA移动系统的反向链路传输功率的统计分布。CDMA 2000 Ix移动站在城市地区运行在数据速率为9.6 kHz和153.6 kHz的发生概率如图8.14所示。数据速率为9.6 kHz时,其发生概率的峰值出现在-7 dBm的移动站发射功率处,而数据速率为153.6 kHz时,对应发生概率的峰值移动到+9 dBm发射功率处。

图8.14 CDMAIS-2000反向链路发射功率分布

据估计,不同移动系统甚至相同系统运行在不同信道配置的时候,发射功率的统计分布将会不同。为充分利用发射功率统计分布特性来管理功率损耗,移动站发射机的电流应该随它的输出功率而迅速下降,因此,输出功率统计分布峰值区域的电流损耗将会低,如图8.15所描述。(www.daowen.com)

图8.15 对比于移动站射频发射机输出功率的理想的电流损耗特性

式中,PTX_K和ITX_K分别为输出功率为PK时的发生概率和电流消耗,且

在传输调幅波形的情况下,如CDMA、TDMA和EDGE信号波形,发射机链路应该有一定的线性度以使频谱再生程度足够低。因此,电源的管理变得比恒定包络传输波形(如GSM和AMPS波形)情况下的更复杂。有必要在节省电量和维持足够线性度间进行权衡,既实现显著的节能又不牺牲相邻信道功率比的性能。

发射机的自动增益控制设计对线性度有要求,应该平衡电流损耗、相邻信道功率比性能以及噪声散射之间的关系。噪声散射,尤其是接收机频段内的噪声,对于全双工系统来说非常重要,因为它将会弱化接收机的灵敏度。发射机链路中的基带、中频和射频模块中的Vegas算法以及功率放大器增益需要按恰当的顺序和分布来进行控制,以优化发射机的整体性能,即在仅仅对相邻信道功率比性能和噪声散射产生轻微影响的情况下,使电流消耗最小化。

在自动增益控制的优化过程中,为获得更好的发射机线性度,倾向于在功率放大器和射频级有高的增益;相反,如果希望更低的噪声散射,则它们最好具有低的增益。电流的减少通常会影响1 dB压缩点或者发射机的OIP3、发射机的线性度以及这种情况下需要注意监控发射的相邻信道功率比。

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